SYMPOSIUM DE GENIE ELECTRIQUE (SGE 2016) : EF-EPF-MGE 2016, 7-9 JUIN 2016, GRENOBLE, FRANCE Contributions aux circuits de « gate-driver » dédiés aux transistors de puissance à forte vitesse de commutation dans un environnement haute temperature NGUYEN Van-Sang1, 2, LE Thanh-Long1, 2, Farshid SARRAFIN1, 5, TO Ngoc-Duc1, 2, Davy COLIN1,2, Nicolas ROUGER1, 2, Pierre LEFRANC1, 2, Bruno ALLARD5, Yves LEMBEYE1, 2, Jean-Daniel ARNOULD3, 4 and JeanChristophe CREBIER1, 2 1 Univ. Grenoble Alpes, G2ELab, F-38000 Grenoble, France 2 CNRS, G2ELab, F-38000 Grenoble, France 3 Univ. Grenoble Alpes, IMEP - LAHC, F-38000 Grenoble, France 4 CNRS, IMEP - LAHC, F-38000 Grenoble, France 5 INSA Lyon, AMPERE, F-69000 Lyon, France RESUME – Cet article présente et analyse le développement et la caractérisation de circuits intégrés dédiés pour la génération de l’alimentation isolée et le transfert du signal de commande vers le transistor de puissance « high side » dans un bras d’onduleur. La conception prend en compte les contraintes imposées par les transistors de puissance grand gap, en termes de température, de différences de temps de propagation et de forts dv/dt pour offrir une solution générique. La mise en œuvre de « gate-driver » en technologie CMOS Silicium devient un réel challenge. Ici, les solutions sont présentées et les différences de délais, l'intégrité du signal (durée du rapport cyclique et localisation en temps) des prototypes sont caractérisées par rapport à la température et l’immunité au dv/dt. 13 ont été conçus pour une forte immunité aux dv/dt et pour une consommation d'énergie optimale sur une large plage de température de fonctionnement. 2.1. Level shifter haute tension Fig. 1 et Fig. 2 présentent le schéma du dispositif avec les CSU (Control Signal Unit) et une photo au microscope du « level-shifter pulsé » haute tension (100 et 200V) à compensation de dérive turn-ON turn-OFF dans la technologie SOI XT018. Mots-clés—Gate Driver, GaN, Circuit de Commande, Level Shifter, Driver Coreless, Driver Optique 1. INTRODUCTION La mise en œuvre des transistors de puissance très rapides comme les transistors grand gap est très contraignante [1], [2]. La fréquence de commutation très élevée tout comme les fronts de commutation exigent une très grande précision temporelle du signal de commande. Les forts dv/dt introduisent des contraintes extrêmes sur les transferts de signal du « low side » vers le « high side »et sur l’alimentation flottante du circuit de pilotage du transistor « high side ». Enfin, le fonctionnement au plus proche des composants de puissance, à haute température, présente une consommation plus importante et une plus grande dispersion temporelle des signaux. Pour optimiser les performances de convertisseurs de puissance à base de composants grands gaps, plusieurs solutions de circuits de commande dédiés sont présentées. Le travail est axé sur des solutions innovantes de transfert du signal de commande dans un environnement sévère de fonctionnement. 2. RESULTATS PRATIQUES DES 3 TECHNIQUES Trois approches intégrées sur puce en silicium sont candidates pour transférer le signal de commande de la grille du transistor « high side » dans un environnement sévère : un « level-shifter » basé sur un couple de sources de courant pulsées, un coupleur magnétique HF avec un transformateur intégré sans noyau magnétique et une solution optique dérivée de l’opto-coupleur. Les trois solutions ont été étudiées et prototypées en vue d’une application haute température en utilisant la technologie SOI XT018 qualifiée à 175°C de XFAB. Nos prototypes, représentés sur les Fig. 2, Fig. 6 et Fig. Fig. 1. Schéma du « level-shifter » haute tension avec CSUs Fig. 2. Photo microscope du « level-shifter » pulsé à 100V Fig. 3. Retard au front montant à la température de 175°C Fig. 4. Retard au front descendant à la température de 175°C La caractérisation thermique des delais de propagation du « level-shifter » 100V pulsé est présenté sur les Fig. 3 et Fig. 4. Elle montre que la température de fonctionnement peut aller jusqu’à 175 ° C. L'immunité au dv/dt a été confirmée jusqu'à 50V/ns (voir papier final). Les retards montant et descendant sont autour de 22ns avec une dispersion inférieure à 1nsec pour un même circuit. On a testé 2 voies différentes de « levelshifter » avec des niveaux différents de tension référence, à 175°C, la différence de retard entre deux voies est de 2ns. Les perspectives de cette approche en hautes tension sont limitées en température pour des raisons physiques. 2.2. Gate driver avec un transformateur sans noyeau Dans cette solution, l’isolation du signal de commande est réalisée par un transformateur sans noyau [5], intégré sur silicium avec un modulateur et un démodulateur à 330MHz, conçu pour un fonctionnement à haute fréquence, haute température mais qui introduit une vulnérabilité significative au dv/dt en raison de la grande surface du coupleur nécessaire pour limiter la fréquence de transfert optimale. Fig. 5 et Fig. 6 présentent le schéma et l’image au microscope de la puce avec le transformateur sans noyau. Fig. 5. Schéma du driver intégré avec un transformateur sans noyau Fig. 6. Image au microscope optique des fonctions de transfert Fig 7. Capacité parasite entre primaire et secondaire du transformateur sans noyau Fig 8. Test de la barrière d’isolation du transformateur sans noyau Fig. 7 présente une capacité parasite au niveau du coupleur de 1.85pF à 1MHz entre le primaire et secondaire du transformateur sans noyau. En raison de la mise en œuvre expérimentale, la tension de claquage est testée jusqu'à 3000V et aucun claquage n’a été observé comme le montre la Figure 8. La caractérisation des délais de propagation du level shifter magnétique est présentée sur Fig. 9 et Fig. 10 à la température de 175°C. Les retards montant et descendant sont 20nsec et 18ns, respectivement. Notre approche est basée sur la transmission du signal et de la puissance de grille par voie optique via un système optique. Le système (Fig. 12), intégralement intégré sur puce CMOS, se compose d’une structure multi-cellules PV, d’un convertisseur DC/DC pour l’alimentation; d’un récepteur optique à une cellule, d’un circuit de traitement du signal et d’une amplification en courant pour piloter la grille d’un transistor de puissance de type GaN EPC. Fig. 13 montre qu’on peut générer 3 mW électrique à partir de 62 mW optique. Les tests de la cellule PV ont été effectués jusqu’à 225 °C et seront présentés dans l’article final. Fig. 14 montre le bon fonctionnement du transfert du signal par voie optique et du buffer associé sur une charge de 1nF à 1 MHz avec une alimentation externe de 4,3 V. Fig. 13 Puissance électrique générée par la cellule PV (6 diodes en série) Fig. 14 Transfert du signal (C=1nF, f=1MHz, Vdd= 4.3 V) 3. CONCLUSIONS Dans cet article, nous présentons trois techniques de transfert du signal de commande vers le « high side » dans un bras d’onduleur par des circuits intégrés dédiés dans la technologie XFAB XT018. Les premiers résultats ont montré leurs bons fonctionnements. En outre, l’article final va introduire plus de problèmes de conception liés aux contraintes des environnements sévères. En complément, l’article final présentera une analyse comparaison des différentes techniques en fonction des critères applicatifs dv/dt, dispersion et délais de propagation, température, robustesse et consommation. 4. REFERENCES [1] Figure 9. Retard au front montant à la température de 175°C Fig 10. Retard au front descendant à la température de 175°C 2.3. Gate driver optique La dernière technique, l'isolation optique [6], est choisie pour son immunité exceptionnelle au dv/dt. [2] [3] [4] [5] [6] Fig 12. Image Microscope du driver + alimentation optique XFAB XT018 intégré pour commander la grille du transistor de puissance. Kargarrazi, S. ; Lanni, L. ; Rusu, A. ; Zetterling, C.-M., “A monolithic SiC drive circuit for SiC Power BJTs” International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), 2015 IEEE 27th, p285 – p288,10-14 May 2015. Badawi, N.; Knieling, P.; Dieckerhoff, S., “High-speed gate driver design for testing and characterizing WBG power transistors” 2012 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), Pages: LS6d.4-1 - LS6d.4-6, 2012. To, D.-N.; Rouger, N.; Lembeye, Y.; Arnould, J.-D.; Corrao, N., “Modeling and characterization of 0.35 μm CMOS coreless transformer for gate drivers” International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), 2014 IEEE 26th, p330 – p333,15-19 June 2014. Yunwu Zhang; Jing Zhu; Weifeng Sun; Yangyang Lu; Lihui Gu; Sen Zhang; Wei Su, “A capacitive-loaded level shift circuit for improving the noise immunity of high voltage gate drive IC” IEEE 27th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's (ISPSD), p173 – p176, 2015 To, D-N. ; Rouger, N.; Arnould, J-D.; Corrao, N.; Crebier, J-C.; Lembeye, Y. “Integrated gate driver circuits with an ultra-compact design and high level of galvanic isolation for power transistors,” IEEE CIPS, 2014, pp.348–353. 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